基于微电流技术的提前检测与保护装置

2019-04-26田昌军马颖婷王海时

电子技术与软件工程 2019年6期

文/田昌军马颖婷王海时

对于“电”，大家都知道，虽不至于谈“电”色变，却也总是小心谨慎。虽然有各种类型的用电保护装置来降低用电的危险，但总还是有很多的意外发生，给我们的生活和工作带来不必要的损失和伤害。

漏电和短路是当前造成用电设备损坏和引发电力火灾的主要原因，此问题是由于环境潮湿、设备老化、意外破坏等不可控因素引发的，这会造成巨大的经济损失与人员伤亡。在目前国内电流检测装置中，只能在设备通过大电流时才能检测出电路是否漏电或短路，判断空气开关是否关闭，但是无法预防故障。这样可能会因故障不能及时发现，对设备造成巨大的损害，严重时会导致设备报废或引发火灾。同时随着漏电保护技术的发展，传统的事后漏电保护器已经难以满足人们的需求。针对这些不安全因素及弥补事后保护的技术缺陷，我们设计了基于微电流技术的提前检测与保护装置。

1 基于微电流技术的漏电保护装置设计及原理分析

1.1 基于微电流技术的漏电保护装置设计

漏电保护设备主要有四个核心环节构成，即微电流检测电路、逻辑判断电路、开关控制子电路和电力切换电路，另外还有辅助电源电路、报警电路和被检测电路。漏电保护装置电路如图1所示。

设备通电前，辅助电源为检测装置提供一个合适的电压使检测装置工作，其内部的微电流检测系统为设备提供一个可控的恒定电流。当恒定电流通过待检测设备后会产生一个电压值，若待检测设备正常，则微小的电势差在逻辑判断电路中不会导致运算放大器输出高电平，同时运算放大器反相端高电平信号传入控制电路，控制开关处于闭合状态，功率电源为待检测装置正常供电，设备正常工作；若待检测设备出现短路或接地，则电势差在逻辑判断电路的会导致运算放大器输出高电平，同时运算放大器反相端低电平信号将传入控制电路，控制开关电路一直处于断开状态，待检测装置无法工作。漏电保护装置工作流程如图2所示。

图1：漏电保护装置设计

图2：漏电保护装置工作流程

1.2 基于微电流技术的漏电保护装置原理分析

被检测电路正常工作或短路、接地，恒定微小电流通过R3 会产生不同电势差，利用R3两端不同电势差和A2 运算放大器构成的电压比较器控制A2 运算放大器输出，从而控制报警电路通断。当被检测电路短路时，R3 电势差较大，A2 运算放大器同相端高于反相端，输出高电平；当被检测电路正常工作时，R3电势差较小，不用引起A2 运算放大器输出高电平。

R3 低电势一端接入A3 运算放大器正相端，利用A3 运算放大器构成的电压比较器，控制A3 运算放大器输出，从而控制电力切换电路的通断。当被检测设备短路时，A3 运算放大器同相端为低电势，输出为低电势；当被检测设备正常工作时，A3 运算放大器同相端为高电势，A3 运算放大器输出高电平。

2 漏电保护装置核心模块设计

图3：微电流检测系统原理图

图4：开关控制电路原理图

图5：逻辑判断子电路原理图

2.1 微电流检测系统设计

微电流检测系统电路结构如图3所示，R1 和R2 串联分压结构给运算放大器同相端，由Q1 场效应管与待检测设备构成串联结构，考虑设备内阻，则运算放大器反相端有一定电压，同相端与反相端进行比较，构成电压比较器，从而控制运算放大器输出电压。

Q1场效应管漏极电压UDS=VCC，当UDS>UGS-UTH可保证N 沟道场效应管能够工作在饱和区，根据场效应管饱和状态的漏源极电流公式,可得其输出电流ID随着栅极电压UGS（运算放大器输出电压）增加而增加，从而达到恒流输出的目的。同时，可以根据被检测设备具体参数要求，选择合适的微电流输出。

2.2 开关控制子电路设计

开关控制子电路结构如图4所示，控制电路由电压比较器与N 沟道场效应管构成，同相端接入逻辑判断电路，反相端接GND。当逻辑判断电路高电平信号输入运算放大器同相端时，同相端电压高于反相端电压，此时运算放大器模块输出高电平，并传输到场效应管栅极，则栅极电压UGS大于阈值电压UTH，驱动场效应管处于导通状态。

2.3 逻辑判断子电路设计

逻辑判断电路如图5所示，逻辑判断电路是由运算放大器芯片和外围辅助电路构成。在原理上采用芯片内部的运算放大器构成比较器电路，比较检测子电路传输到运算放大器同相端和反相端电压的大小。当同相端电压高于反相端电压时输出高电平，驱动报警电路。

2.4 电力切换电路设计

电力切换电路原理图如图6所示，电路由四个电磁继电器及外围辅助电路构成。P1 接线端子连接被检测电路，P2 接线端子连接功率电源，当负载短路或接地时，在微电流检测电路R3 电阻上形成较大电势差，电势差输出到逻辑判断电路运算放大器，逻辑判断电路输出高电平，驱动K1 继电器开关由常闭端调整到常开端，使报警电路导通；同时当逻辑判断电路输出高电平时，开关控制电路运算放大器同相端输入低电平，N 沟道场效应管截止，负载断路。若被检测电路正常，则开关控制电路运算驱动K4 电磁继电器，K2、K3、K4 电磁继电器开关由常闭端调整到常开端，被检测电路正常供电工作。